结构新型热固性FRP复合筋及其性能

论文摘要

FRP（Fibre Reinforced Polymer）筋以其轻质、高强尤其是优异的耐久性而成为一些土木工程结构中钢筋的替代品。本文针对FRP筋在土木工程结构中的应用问题,研制了带肋FRP筋制作装置,研究制作了钢绞线-GFRP（SGFRP）复合筋,带肋FRP筋和BFRP筋等一系列新型FRP筋,对其中主要类型的FRP筋粘结性能、耐久性以及与光纤光栅复合的智能特性等进行了系统研究,主要研究内容如下:1.新型FRP复合筋的研制及基本性能研究。针对FRP筋在土木工程结构应用中存在的模量低、成本高和耐久性问题,分别发明和研制了钢绞线-GFRP（SGFRP）复合筋与玄武岩纤维FRP（BFRP）筋,并对其力学性能和耐久性进行了试验研究。研究结果表明:SGFRP筋与GFRP筋相比抗拉弹性模量可以提高50%以上,而且SGFRP筋在酸、碱和盐溶液中具有很好的耐久性;BFRP筋的抗拉性能与GFRP筋相当,但是在碱、酸和盐溶液中的耐久性较GFRP筋要差,尤其是在碱溶液中,其主要原因是玄武岩纤维表面硅烷耦联剂水解。研制了拉缠带肋FRP筋制作装置和成型工艺,对FRP筋肋形式和肋间距进行了定型研究,并制作了各种带肋FRP筋。研究确定的带肋FRP筋最佳肋形式和参数为:螺距为1倍直径的反向双螺旋纤维束缠绕肋。2.磁场固化拉挤GFRP筋力学与耐久性能。根据磁场对树脂的改性作用,对FRP拉挤成型工艺设备进行改进,研究开发了FRP筋磁场固化拉挤工艺;研究了成型磁场强度对成型后GFRP筋力学性能的影响,确定了最佳磁场强度;对最佳磁场强度成型和无磁场成型GFRP筋进行80℃水中的耐久性对比试验,以吸水率和层间剪切强度为指标,研究了磁场固化工艺对GFRP筋耐久性的影响。试验结果表明:磁场固化可以提高GFRP筋的层间剪切强度、抗压强度和在水中的耐久性。3. FRP筋与混凝土的粘结性能及其多种因素的影响。试验研究了温度处理、腐蚀环境和恒载作用对带肋GFRP和SGFRP筋与混凝土粘结性能影响。首先分别试验研究了70℃处理200小时后,70℃下和-30℃下三种温度环境中两种Φ8mm FRP筋和Φ12mm钢筋与混凝土的粘结性能;其次试验研究了两种FRP筋与混凝土试样经过60℃下碱溶液为期1、2和3.5个月浸泡后的粘结性能,分析了碱腐蚀环境对FRP筋与混凝土粘结性能的影响;最后试验研究了两种FRP筋分别在60%和75%最大粘结荷载作用下的恒载粘结性能,分析了恒载作用对FRP筋与混凝土粘结性能的影响。4. FRP筋的耐久性寿命预测。针对GFRP筋耐碱性问题,对光面和带肋GFRP筋利用34、60和80℃加速温度进行碱溶液中浸泡试验,分析了两种GFRP筋在碱溶液中不同温度下拉伸性能与浸泡时间关系,利用TSF法和FHWA法对两种GFRP筋在10℃、100%RH混凝土环境中的耐久性寿命进行预测;对Φ8mm带肋和Φ7mm光面SGFRP筋进行60℃下碱、酸和盐溶液浸泡试验,分析了两种SGFRP筋在各种腐蚀溶液中的耐腐蚀性能。预测结果表明:光面GFRP筋的耐久性寿命为带肋GFRP筋的4倍左右。5. FRP-OFBG智能筋成型过程的残余应变及其对传感特性的影响。针对单向FRP筋轴向残余应变问题,从理论上分析了智能筋制作过程对其中各组分引起的残余应变,利用双光栅法对GFRP筋拉挤成型过程中的温度和应变进行了在线监测;分析了恒载和常温无应力作用对智能筋中光栅残余应变的影响,研究了智能筋的传感稳定性问题;分析了智能筋中光栅光谱劣化产生原因,提出了高温后处理对智能筋中光栅双峰和多峰现象改善的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 FRP筋研究与应用现状
• 1.2.1 FRP筋原材料组成
• 1.2.2 热固性FRP筋成型工艺
• 1.2.3 FRP筋性能
• 1.2.4 FRP筋在土木工程中的应用
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 钢绞线-GFRP复合筋、带肋FRP筋及其基本性能
• 2.1 引言
• 2.2 光面钢绞线-GFRP复合筋及其力学性能
• 2.2.1 单向混杂纤维FRP（HFRP）筋制备原理
• 2.2.2 钢绞线-GFRP（SGFRP）复合筋制备原理
• 2.2.3 SGFRP复合筋的原材料与制备
• 2.2.4 SGFRP复合筋拉伸试验结果与分析
• 2.3 带肋FRP筋成型装置与肋参数定型试验
• 2.3.1 带肋FRP筋成型工艺流程
• 2.3.2 带肋FRP筋成型设备研制
• 2.3.3 FRP筋肋定型试验
• 2.3.4 FRP筋肋定型试验结果及其分析
• 2.3.5 带肋FRP筋拉伸性能
• 2.4 各种FRP筋密度和截面积测定
• 2.4.1 试验准备
• 2.4.2 试验结果及其分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 玄武岩纤维FRP筋力学与耐久性能
• 3.1 引言
• 3.2 光面BFRP筋制备与性能试验准备
• 3.2.1 BFRP筋制备
• 3.2.2 BFRP筋压缩试验准备
• 3.2.3 BFRP筋短梁剪切试验准备
• 3.2.4 BFRP筋耐久性试验安排和准备
• 3.3 试验结果及其分析
• 3.3.1 BFRP筋拉伸性能
• 3.3.2 BFRP筋抗压性能
• 3.3.3 BFRP筋耐久性
• 3.4 本章小结
• 第4章 磁场固化拉挤GFRP筋力学与耐久性能
• 4.1 引言
• 4.2 研究背景
• 4.2.1 磁场下树脂分子取向机理
• 4.2.2 磁场固化树脂和复合材料研究现状
• 4.3 GFRP筋磁场固化拉挤工艺与GFRP筋制作
• 4.3.1 FRP筋磁场固化拉挤成型工艺
• 4.3.2 磁场固化GFRP筋原材料
• 4.3.3 GFRP筋磁场固化拉挤成型工艺参数设定
• 4.4 固化磁场强度对GFRP筋力学性能影响
• 4.4.1 磁场强度对GFRP筋层间剪切性能影响
• 4.4.2 磁场强度对GFRP筋抗拉性能影响
• 4.4.3 磁场强度对GFRP筋抗压强度影响
• 4.4.4 GFRP筋磁场固化拉挤工艺最佳磁场强度
• 4.5 磁场固化GFRP筋在水中耐久性
• 4.5.1 试验准备
• 4.5.2 试验结果与分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 FRP筋与混凝土的粘结性能及其多种因素的影响
• 5.1 引言
• 5.2 不同直径FRP筋与混凝土粘结性能
• 5.2.1 试验准备
• 5.2.2 试验结果
• 5.2.3 试验结果分析
• 5.3 温度对FRP筋与混凝土粘结性能影响
• 5.3.1 试验准备
• 5.3.2 试验结果
• 5.3.3 结果分析
• 5.4 碱性环境对FRP筋与混凝土粘结性能影响
• 5.4.1 试验准备
• 5.4.2 试验结果
• 5.4.3 结果分析
• 5.5 恒载作用下FRP筋与混凝土的粘结性能
• 5.5.1 试验准备
• 5.5.2 试验结果
• 5.5.3 结果分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 FRP筋的耐久性寿命预测
• 6.1 引言
• 6.2 GFRP筋腐蚀机理
• 6.2.1 玻璃纤维腐蚀
• 6.2.2 树脂腐蚀
• 6.2.3 界面层腐蚀
• 6.3 FRP筋耐久性寿命预测方法
• 6.3.1 退化模型
• 6.3.2 FRP筋耐久性寿命预测方法
• 6.4 FRP筋耐久性试验安排
• 6.4.1 试验方案
• 6.4.2 耐久性试验装置和试验准备
• 6.5 FRP筋耐久性试验结果及分析
• 6.5.1 GFRP筋微观结构
• 6.5.2 GFRP筋吸水率
• 6.5.3 FRP筋抗拉性能
• 6.6 GFRP筋耐久性寿命预测
• 6.6.1 光面GFRP筋耐久性寿命预测
• 6.6.2 带肋GFRP筋耐久性寿命预测
• 6.6.3 两种GFRP筋耐久性寿命预测结果讨论
• 6.7 本章小结
• 第7章 FRP-OFBG智能筋成型过程的残余应变及其对传感特性的影响
• 7.1 引言
• 7.2 智能筋成型过程中产生残余应变分析
• 7.2.1 温度变化引起智能筋内部残余应变
• 7.2.2 纤维和光栅预张拉引起智能筋内部残余应变
• 7.2.3 预张拉和温度变化共同作用引起智能筋内部残余应变
• 7.2.4 FRP-OFBG智能筋温度灵敏度系数
• 7.3 利用光栅进行FRP筋拉挤成型工艺过程监测
• 7.3.1 GFRP筋拉挤成型过程监测准备
• 7.3.2 监测结果分析
• 7.4 FRP-OFBG智能筋传感稳定性
• 7.4.1 常温无外力作用下智能筋传感稳定性
• 7.4.2 荷载作用对智能筋传感稳定性影响
• 7.5 FRP-OFBG智能筋光谱劣化处理研究
• 7.5.1 智能筋中光栅光谱劣化原因
• 7.5.2 试验准备
• 7.5.3 试验结果及分析
• 7.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历